DE2347450C3

DE2347450C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der elektrostatischen Kapazität eines Kondensators

Info

Publication number: DE2347450C3
Application number: DE2347450A
Authority: DE
Inventors: Kozo Fussa Tokio Uchida (Japan)
Original assignee: Iwatsu Electric Co Ltd
Current assignee: Iwatsu Electric Co Ltd
Priority date: 1972-09-21
Filing date: 1973-09-20
Publication date: 1975-12-04
Also published as: FR2200527A1; FR2200527B1; US3824459A; DE2347450B2; NL7312962A; NL154327B; GB1416754A; DE2347450A1; JPS4953080A; JPS539542B2

Description

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu dem zweiten Widerstand (7) ein vierter Schalter (A) angeordnet ist und daß die Steuerschaltung (18) die vier Schalter (3, 2, 4, A) nach einer vorgegebenen Arbeitsfolge leitend bzw. nichtleitend steuert (F i g. 3 und 5).

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu dem zu messenden Kondensator (8) eine Vorspannungsquelle (30) geschaltet ist (Fig. 5).

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der elektrostatischen Kapazität, eines Kondensators, bei dem der zu messende Kondensator und ein Normalkondensator bekannter Kapazität von einer Nor-

2. Vorrichtung zum Messen der elektrostatisehen Kapazität eines Kondensators mit einer

Normalspannungsquelle fester Spannung, mit p

cinem Normalkondensator, mit wenigstens einem 45 malspannungsquelle zunächst auf einen selben vorSchalter zum Anschluß des zu messenden Kon- gegebenen Spannungswert aufgeladen und anschließend entladen werden und die Entladung des zu messenden Kondensators und des Normalkondensators mittels einer Vergleichseinrichtung verglichen 50 werden. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es sind verschiedene Verfahren zum Messen der elektrostatischen Kapazität eines Kondensators bekannt. Bei einem ersten typischen bekannten Verfahren bedient man sich einer sogenannten Wechselstrombrücke. Die Wechselstrombrücke enthält üblicherweise vier Zweige, ein Galvanometer und einen Sinuswellenoszillator. Der erste und der zweite Zweig enthalten einen Widerstand, der dritte Zweig enthält

c) einen dritten Schalter (4), zu dem ein erster 60 einen Kondensator, dessen elektrostatische Kapazität Widerstand (5) in Reihe geschaltet ist und gemessen werden soll, und der vierte Zweig enthält die Reihenschaltung parallel zum Normal- einen Normalkondensator mit einer Bezugskapazität, kondensator (6) liegt, die vorher bestimmt worden ist. Die Sinuswechsel-

d) einen zweiten Widerstand (7), der parallel zu spannung des Oszillators wird an eine Diagonale der dem zu messenden Kondensator (8) angeord- 65 aus den vier Zweigen bestehenden Brücke angelegt, net ist, Das Galvanometer liegt an der zweiten Brücken-

e) eine Vergleichseinrichtung (9) mit einem er- diagonalen und stellt den Brückenabgleich fest. Im s ten mit dem Normalkondensator (6) ver- abgeglichenen Zustand errechnet sich die zu bestim-

densators bzw. des Normalkondensators an die Normalspannungsquelle und mit einer mit den Kondensatoren verbindbaren Vergleichseinrichtung, gekennzeichnet durch

a) einen ersten Schalter (3), durch den die konstante Spannung (V₀) der Normalspannungsquelle (1) an den Normalkondensator (6) anlegbar ist,

b) einen zweiten Schalter (2), durch den die konstante Spannung (V₀) der Normalspannungsquelle (1) an den zu messenden Kondensator (8) anlegbar ist,

mende elektrostatische Kapazität aus den Widerstanden und der Bezugskapazität.

Bei einem zweiten typischen bekannten Verfahren wird ein konstanter Gleichstrom ί verwendet. Der Konstante Gleichstrom f wird einer Klemme eines Kondensators zugeführt, dessen elektrostatische Kapazität iu bestimmen ist. Die Klemmenspannung V₁ an «er Klemme des Kondensators nimmt gemäß der folgenden Gleichung zu:

wobei ί die abgelaufene Zeit, C_x die elektrostatische Kapazität des zu messenden Kondensators und k eine Konstante bedeutet.

Sodann wird der konstante Gleichstrom i in der gleichen Weise, wie gerade beschrieben, einem Normalkondensator zugeführt, dessen elektrostatische Kapazität C_s vorherbestimmt worden ist. Durch Einspeisen des konstanten Gleichstromes i in die eine Klemme des Normalkondensators nimmt die Klemmenspannung V_s des Normalkondensators in der gleichen Weise, wie oben erwähnt, zu, und es wird die folgende Gleichung erhalten:

wobei r_s die abgelaufene Zeit und k_s eine Konstante bedeutet.

Wenn jede der beiden Spannungen V₁ und V_s die gleiche Spannung V_e erreicht haben, gilt

35

und außerdem

C₉=- C,.

k, t,

C₁ ist proportional tU_s. Das Verhältnis tU_s kann leicht gemessen werden.

Die erwähnten Verfahren sind typisch und werden im großen Umfang zum Messen der elektrostatischen Kapazität eines Kondensators angewandt. Wenn die zu messende elektrostatische Kapazität eines Kondensators einen kleinen Wert aufweist, dann sind die beiden genannten Verfahren ausreichend. Wenn die zu messende elektrostatische Kapazität eines Kondensators einen großen Wert aufweist, sind die erwähnten Verfahren jedoch ungenügend. Wenn nach diesen Verfahren nämlich eine große elektrostatische Kapazität, z. B. 1 000 000 jiF gemessen werden soll, wird der aus dem Oszillator beim ersten Verfahren entnommene Wechselstrom oder der beim zweiten Verfahren benutzte Gleichstrom i extrem groß, und demzufolge ist es schwierig, eine derartig große elektrostatische Kapazität zu messen, und es ist nahezu unmöglich, sie mit großer Genauigkeit zu messen. Der maximale Betrag der durch die bekannten Verfahren zu messenden elektrostatischen Kapazität liegt bei 100 000 μΡ. Es beträgt bei einer elektrostatischen Kapazität in de: Größenordnung von 10 000 fiF der Meßfehler bei den bekannten Verfahren bereits etwa 2 bis 4 «/ο.

Es ist außerdem bei den bekannten Verfahren srfnrrierlich. einen Normalkondensator zu verwenden, dessen Kapazität nahezu der des zu messenden Kondensators entspricht Diese Notwendigkeit ist von Nachteil, wenn die zu messende elektrostatische Kapazität größer als 10 μΡ ist, da es normalerweise Schwierigkeiten bereitet, einen Normalkondensator, der ausgezeichnete elektrische Eigenschaften aufweisen soll, mit einer so großen Kapazität zu erzeugen.

Es ist außerdem ein Meßverfahren zur Bestimmung der Kapazität eines Kondensators bekannt, bei dem nacheinander ein Normalkondensator und der zu messende Kondensator an eine Hilfsspannung gelegt und über ein Galvanometer entladen werden. Aus dem Vergleich der Galvanometerausschläge wird die unbekannte Kapazität ermittelt (Archiv für technisches Messen, V 3532-1, 1931). Zur Durchführung dieses Verfahrens sind der zu messende Kondensator und der Normalkondensator jeweils mit einem Anschluß mit dem einen Anschluß einer Normalspannungsquelle verbunden. Die beiden anderen Anschlüsse der Kondensatoren sind über einen ersten Umschalter wahlweise mit dem Mittelkontakt eines zweiten Umschalters verbunden, der seinerseits mit dem zweiten Pol der Normalspannungsquelle zur Aufladung des einen bzw. des anderen Kondensators oder mit dem Galvanometer zur Entladung des jeweiligen Kondensators verbindbar ist. Bei diesem Verfahren wird also die von dem zu messenden Kondensator aufgenommene Ladungsmenge bestimmt, wobei die Aufladung und Entladung des Normalkondensators zur Eichung des Galvanometers dient. Das Verfahren ist relativ ungenau, da es auf das zweimalige Ablesen eines kurzzeitigen Galvanometerausschlages ankommt. Eine annehmbare Meßtoleranz setzt außerdem voraus, daß die Kapazitäten des zu messenden Kondensators und des Normalkondensators in etwa gleicher Größenordnung liegen.

Bei einem weiteren aus der genannten Literaturstelle bekannten Meßverfahren wird das zweimalige Ablesen eines Galvanometerausschlages dadurch vermieden, daß der zu messende Kondensator und ein Normalkondensator zunächst aufgeladen und dann gleichzeitig gegensinnig über ein Galvanometer entladen werden. Die beiden Kondensatoren werden bei diesem bekannten Verfahren auf unterschiedliche Spannungen aufgeladen, wobei der Vorgang des Aufladens und Entladens bei Änderung des Verhältnisses der beiden Ladespannungen so lange wiederholt werden muß, bis der Galvanometerausschlag beim Entladen Null ist, beide Kondensatoren also die gleiche Ladungsmenge aufgenommen haben. Aus der bekannten Kapazität des Normalkondensators läßt sich die gesuchte Kapazität dann im Zusammenhang mit dem Verhältnis der Ladespannungen bzw. dem Verhältnis zweier die Ladespannung — bestimmender Spannungsteilerwiderstände bestimmen. Abgesehen davon, daß dieses Verfahren infolge der Not wendigkeit mehrfachen Probierens zeitaufwendig ist erfordert es außerdem die genaue Bestimmung de Spannungsteilerwiderstände, was ein zusätzliche Meßverfahren bedeutet. Die Genauigkeit dieses Ver fahrens ist außerdem von der Empfindlichkeit de Galvanometers abhängig.

In den letzten Jahren sind Kondensatoren mit ex trem großer elektrostatischer Kapazität hergestell worden. Diese Kondensatoren werden zum Beispit für Energiespeichereinrichtungen verwendet und de Wert ihrer elektrostatischen Kapazität erreicht 501 In Verbindung mit der Herstellung derartiger groß«

5 6

Kondensatoren ist es selbstverständlich auch erfor- der Vergleichseinrichtung 9 erscheint dann ein Ausderlich, ein Meßverfahren zur Verfugung zu haben, gangssignal, wenn der Eingangsspannungspegel am das es ermöglicht, eine derartig große elektrosta- zweiten Eingang 11 mit dem Eingangsspannungstische Kapaziät zu messen. Wie bereits erwähnt, ist pegel am ersten Eingang 10 übereinstimmt. Die Veres nicht ohne weiteres möglich, derartig große elek- 5 gleichseinrichtung 9 kann einen Verstärker mit extrem trostatische Kapazitäten durch die bekannten Meß- hoher Verstärkung enthalten oder einen Multivibraverfahren zu messen, und es ist nahezu unmöglich, tor. Sie kann auch eine Kombination eines derartisie mit hoher Genauigkeit zu messen. gen Verstärkers und eines Multivibrators umfassen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Der Ausgang 12 der Vergleichseinrichturig 9 ist mit Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der io einer ersten Eingangsklemme 13 eines Zählers 14 verelektrostatischen Kapazität eines Kondensators an- bunden. Ein zweiter Eingang 17 des Zählers 14 ist zugeben, die die Messung extrem großer elektrosta- mit dem Ausgang eines Impulsgenerators 16 verascher Kapazitäten ermöglichen. Die Messung soll bunden. Der Impulsgenerator 16 liefert in vorgemit hoher Genauigkeit durchgeführt werden können. gebenen festen Zeitabständen an den zweiten Ein-Außerdem sollen Messungen in einem großen Meß- »5 gang 17 des Zählers 14 Impulse. Der Zähler 14 zählt bereich von einer extrem kleinen elektrostatischen die Anzahl der von dem Impulsgenerator 16 geliefer-Kapazität bis zu einer extrem großen elektrostati- ten Impulse. Eine Ausgangsklemme 15 des Zählers sehen Kapazität unabhängig von der elektrostati- 14 liefert die Impulszahl, die, wie später beschrieben sehen Kapazität eines verwendeten Normalkonden- wird, innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls gesators möglich sein. 20 zählt worden ist. Eine Steuerschaltung 18 weist einen Das erfindungsgemäße Verfahren ist gekennzeich- ersten Eingang 19 auf, der mit einem zweiten Ausnet durch die im Patentanspruch 1 angegebenen gang des Zählers 14 in Verbindung steht, ferner Merkmale und die erfindungsgemäße Vorrichtung einen ersten Ausgang 20, der mit einem dritten Eindurch die im Patentanspruch 2 angegebenen Merk- gang des Zählers 14 verbunden ist. Ein zweiter Einmale. 25 gang 21 der Steuerschaltung 18 ist mit dem Ausgang Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an 12 der Vergleichseinrichtung 9 verbunden. Die Hand von fünf Figuren näher erläutert. Es zeigt Steuerschaltung 18 steuert von einem zweiten Aus-F i g. 1 ein Schaltungsdiagramm einer ersten er- gang 22 aus durch Steuersignale φ, φ bzw. (§) die findungsgemäßen Ausführungsform, Schalter 2, 3 bzw. 4 in einer bestimmten Folge. Die Fig. 2A eine Tabelle, die die Operationsfolge bei 30 bestimmte Folge wird durch Signale ausgelöst, die dem Schaltungsdiagramm nach F i g. 1 angibt, durch die Eingänge 19 und 21 empfangen werden. Fig. 2B ein Diagramm, das die Änderung der Die Operationsfolge und die Funktionen der EinKlemmenspannungen F₁ und V_x während der in gänge 19 und 21 sowie des Ausganges 20 werden im F i g. 2 A angegebenen Zeitintervalle T₀, T₁ und T₂ folgenden erläutert werden.

darstellt, 35 Es soll bemerkt werden, daß der Zähler 14 und F i g. 3 A einen Teil eines Schaltungsdiagramms der Impulsgenerator 16 als üblicher bekannter Zäheiner zweiten Ausführungsform gemäß dieser Erfin- ler bzw. Impulsgenerator ausgebildet sein können, dung, die einen weiteren Schalter A enthält, Die Steuerschaltung 18 kann ebenfalls eine Kombi-F i g. 3 B eine Tabelle, die die Operationsfolge des nation von üblichen und bekannten Schaltungsteilen, Schaltungsdiagramms gemäß Fig. 3A angibt, 40 wie Flip-Flops oder Gatterschaltungen, darstellen, so F i g. 4 einen Teil eines Schaltungsdiagramms einer daß die Steuerschaltung 18 leicht auf verschiedene dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform, Weise durch einen Fachmann des die Erfindung be-F i g. 5 einen Teil eines gegenüber der Ausfüh- treffenden Gebietes realisiert werden kann. Die Schalrungsform nach Fig. 3A modifizierten Schaltungs- ter 2, 3 und 4 können als elektrische Schalter, wie diagramms. 45 Halbleiter- oder Reedschalter, oder auch als mecha-

Gemäß F i g. 1 wird die konstante Spannung F₀ nischc Schalter ausgebildet sein.

einer Normalspannungsquelle 1 über einen Schalters Es wird nun unter Bezugnahme auf das in Fig. 1

an ein Ende eines Widerstandes 5 und an ein Ende dargestellte Blockdiagramm die Arbeitsweise der er-

eines Normalkondensators 6 angelegt. Der Wider- sten Ausführungsform gemäß dieser Erfindung erstandswert des Widerstandes 5 ist R₁, und die elektro- 50 läutert.

statische Kapazität des Normalkondensators 6 ist C₁. Die Folge der Arbeitsschritte, im folgenden kurz Das zweite Ende des Widerstandes 5 ist über einen Operationsfolge genannt, läßt sich grob in drei Zeit-Schalter 4 mit Erde verbunden, und das zweite Ende abschnitte T₀, T₁ und T₂ einteilen. Im ersten Zeitdes Normalkondensators 6 ist ebenfalls geerdet Das abschnitt T₀ sind sämtliche Schalter 2, 3 und 4 leinicht geerdete Ende des Normalkondensators 6 ist 55 tend (EIN). Im darauffolgenden Zeitintervall T₁ ist außerdem an einen ersten Eingang 10 einer Ver- lediglich der Schalter 3 nichtleitend (AUS). Im letzgleichseinrichtung9 angeschlossen. Die Spannung F₀ ten Zeitintervall T₂ sind sämtliche Schalter 2, 3 und 4 der Normalspannungsquelle 1 liegt außerdem über nichtleitend (AUS). Diese Operationsfolge ist in der einen Schalter 2 an einem Ende eines Widerstandes 7 Tabelle gemäß F i g. 2 A dargestellt, und an einem Ende eines Kondensators 8 an, dessen 60 Während des ersten Zeitabschnittes T₀ wird an den elektrostatische Kapazität gemessen werden soll. Das Normalkondensator 6 über den Schalter 3 und gleichzweite Ende des Widerstandes 7 und das iweite Ende zeitig an den Kondensator 8 über den Schalter 2 die des Kondensators 8 sind mit Erde verbunden. Der Normalspannung F₀ angelegt. Die Klemmenspan-Widerstandswert des Widerstandes? ist A₂, und die nung F₁ (s. Fig. 1) an der nicht geerdeten Klemme elektrostatische Kapazität des Kondensators 8 ist C_x. 65 des Kondensators 6 und die Klemmenspannung V_x Das nicht geerdete Ende des Kondensators 8 ist (s. F i g. 1) an der nicht geerdeten Klemme des Konaußerdem an einen zweiten Eingang 11 der Ver- densators 8 werden damit gleich der. Normalspangleichseinrichtung 9 angeschlossen. Am Ausgang 12 nung F₀. Die während des Zeitabschnittes T₀ einge-

nommenen Klemmenspannungen V₁ und V_x sind in F i g. 2 B dargestellt, die die Änderungen der Klemmenspannungen V_x und V_x abhängig von der Zeit t veranschaulicht. In Fig. 2B stellt die ausgezogene Linie die Änderung der Klemmenspannung V₁ und die strichpunktierte Linie die Änderung der Klemmenspannung V_x dar. Ist eine ausgewählte Zeitdauer verstrichen, dann beginnt der Zeitabschnitt T₁. Zu Beginn des Zeitabschnittes T₁ steuert die Steuerschaltung 18 den Schalter 3 durch ein vom Ausgang 22 geliefertes Steuersignal 3 so, daß der Schalter 3 nichtleitend wird. Die genannte ausgewählte Zeitdauer ist so gewählt, daß sie für die jeweilige Klemmenspannung groß genug ist, um vom Wert Null zum Wert der Normalspannung V₀ anzusteigen, und diese ausgewählte Zeit ist in der Steuerschaltung IH gespeichert. Zu Beginn des Zeitabschnittes T₁ steuert die Steuerschaltung 18 auch den Zähler 14 durch ein vom Ausgang 20 geliefertes Ausgangssignal und dieses Ausgangssignal veranlaßt den Zähler 14 die vom Impulsgenerator 16 gelieferten Impulse zu zählen. Wemn die Anzahl der durch den Zähler 14 gezählten Impulse den Wert »«« erreicht, dann stoppt der Zähler 14 den ZäMvotgang und gibt an den ersten Eingang 19 der Steuerschaltung 18 ein Ausgangssignal. Die Zahl »n« ist voraasbestnmnt und im Zähler 14 gespeichert Wenn voa dem Zähler 14 das Ausgangssignal an den ersten Eingang 19 der Steuerschaltung 18 gegeben wird, steuert diese die Schalter 2 und 4 durch vom Ausgang 22 gelieferte Steuersignale φ und φ und macht die Schalter 2 und 4 nichtleitend. Sobald die Schalter 2 und 4 nichtleitend werden, beginnt der Zeitabschnitt T₂.

Die Zahl »n« des Zeitabschnittes T₁ entspricht der Zeitdauer I₁ des Zeitabschnittes T₁. Folglich ist die Zeitdauer I₁ des Zeitabschnittes T₁ proportional zu »n«. Während des Zeitabschnittes T_x entlädt sich der Normalkondensator 6 über den Widerstand S und den Schalter 4, und die Klemmenspannung V₁ nimmt kontinuierlich ab. Ist die abgelaufene Zeit gleich t_v dann wird die Klemmenspannung V₁

gangssignal den Zähler 14, die vom Impulsgenerator 16 gelieferten Impulse zu zählen.

Die während des Zeitabschnittes T₂ kontinuierlich abfallende Klemmenspannung V_x (s. Fig. 2B) liegt am zweiten Eingang 11 der Vergleichsefrrrichtung 9 an. Die Klemmenspannung V₁ des Normalkondensators 6 liegt am ersten Eingang 10 der Vergleichseinrkhtung 9 an. Die Klemmenspannung V₁ wird während des Zeitabschnittes T₂ auf dem Wert

= κ_α· e

R₁C₁

gehalten, der am Ende des Zeitabschnittes T₁ in der beschriebenen Weise eingenommen worden ist Wenn der Wert der am zweiten Eingang 11 anliegenden Klemmenspannung V_x den Wert der am ersten Eingang IO anliegenden Klemmenspannung V₁ erreicht,

»0 führt die Vergleichseinrichtung 9 dem Eingang 13 des Zählers 14 und dem zweiten Eingang 21 der Steuerschaltung 18 vom Ausgang 12 ein Steuersignal zu. Das dem zweiten Eingang 21 der Steuerschaltung 18 zugeführte Steuersignal beendet den Zeitabschnitt T₂,

»5 und der Arbeitsablauf kehrt zum ersten Zeitabschnitt T₀ zurück. Das dem Eingang 13 des Zählers 14 vom Ausgang 12 der Vergleichsemrichrung 9 zugeführte Steuersignal veranlaßt den Zähler 14, das Zählen der von dem Impulsgenerator 16 gelieferten Impulse zu

So beenden. An der Ausgangsklemme 15 des Zählers 14 erscheint die während des Zeitabschnittes T₂ gezählte Zahl von Impulsen >m«. Die Impulszahl »m« ist proportional zur Zeitdauer i₂ des Zeitabschnittes T_t. Aus der Zeitdauer f₂, dem Widerstandswert R_z des Wider-

Standes 9, der elektrostatischen Kapazität C_x des Kondensators 8 und der Normalspannung V₀ wird in der gleichen Weise, wie oben in Verbindung mit Gleichung (1) beschrieben, die Klemmenspannung V_x am Ende des Zeitabschnittes T₂ erhalten. Es gilt

V_x=

— Λ/ · ι*

Γη W

R₁C₁

0)

Dieser Verlauf ist in Fig. 2B im Zeitabschnitt T₁ durch eine ausgezogene Linie dargestellt. Die am Ende des Zeitabschnittes T₁ eingenommene Klemmenspannung V₁ wird während des Zeitabschnittes T₂ aufrechterhalten, da in diesem Zeitabschnitt die Schalter 3 und 4 nichtleitend sind. Der Normalkondensator 6 hält somit während des Zeitabschnittes T₂ die aus obiger Gleichung (1) erhaltene Klemmenspannung V₁. Andererseits hält während des Zeitabschnittes T₁ der Kondensators noch einen Wert der Klemmenspannung V_x, der der im Zeitintervall T₀ eingenommenen Normalspannung F₀ entspricht, wie dies in Fig. 2B durch eine strichpunktierte Linie dargestellt ist.

Während des Zeitabschnittes T₂ ist auch der Schalter 2 in Übereinstimmung mit der Operationsfolge nichtleitend und der Kondensator 8 entlädt sich über den einseitig geerdeten Widerstand 7. Die Klemmenspannung V_x fällt kontinuierlich ab. Zu Beginn des Zeitabschnittes T₂ stellt das vom Ausgang 20 der Steuerschaltung 18 gelieferte Ausgangssignal den Zähler 14 zurück, und gleichzeitig veranlaßt das Aus-Wie aus der Beschreibung in Verbindung mit Fig. 2B hervorgeht, entspricht die Klemmenspannung V_x, die sich durch Gleichung (2) ausdrücken läßt, am Ende des Zeitabschnittes T₂ der Klemmenspannung V₁, die sich durch Gleichung (1) ausdrük-

ken läßt. Aus den Gleichungen (1) und (2) lassen sich somit die folgenden Gleichungen gewinnen:

Somit

= F_n-e

h _ h

und deshalb

R₁C₁ A₂C₂

C = J?l i*_.c

K₁ I₁

Die Zeitdauer ί, und die Zeitdauer ί₂ sind, wie be reits erwähnt, proportional zur Anzahl der Impuls
»n« bzw. »zn«. Deshalb kann Gleichung (5) unte

Verwendung der Impulszahlen »/ι« und »wi« wie folgt umgeschrieben werden:

A₁ m

Hieraus folgt, daß die zu messende elektrostatische Kapazität C_x gemäß Gleichung (6) einfach durch die Zahl »m« bestimmt werden kann, da die Widerstandswerte R_v R₂, die Anzahl der Impulse η und die elektrostatische Normalkapazität C₁ des Normalkondensators vorher ausgewählt und festgelegt worden sind. Sind diese Werte z. B. wie folgt gewählt:

15 A₁= 10 ΜΩ,

jR, = 10 Ω,
C = 1 uF,
η - 1000 Zahlvorgange,

dann wird C_x = 1,362 F, falls die Anzahl m 1362 Zählvorgängen entspricht, die während des Zeitabschnittes T₂ durch den Zahler 14 gezählt werden und an der Ausgangsklemme 15 vorliegen. Werden die a₅ Werte, wie oben angegeben, gewählt, dann entspricht ein Zählvorgang der Zahl »m« gemäß Gleichung (6) 1 mF der elektrostatischen Kapazität C_x.

Ist eine extrem kleine elektrostatische Kapazität zu messen, dann ist es zweckmäßig, zwischen den genannten Festgrößen eine solche Beziehung zu wählen, daß ein Zählvorgang der Zahl »m« dem Wert von 0,1 pF der zu messenden elektrostatischen Kapazität C_x entspricht. Diese Beziehung, bei der ein Zählvorgang proporüonal zu 0,1 pF ist, kahn durch vorherige Auswahl der Festgrößen wie folgt erhalten werden:

A₁ — 1 K12,
R₂ == 10ΜΩ,
C₁ = 1 μΈ, η = 1000 Zählvorgänge.

sehr genauen Widerstandswert und Kondensatoren mit einer sehr genauen elektrostatischen Kapazität lassen sich einfach herstellen und erhalten. Die Genauigkeit der Zahl η und der Zahl m hängt jedoch ^{von der} Genauigkeit des verwendeten Impulsgenerators ab. Es können zwar sehr genaue Impulsgeneratoren, wie Kristalloszillatoren, erhalten werden, diese sind jedoch sehr teuer. Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß aus dem im folgenden angegebenen Grund kein sehr genauer Impulsgenerator erforderHch ist.

Gemäß Gleichung (6) kommt es nicht auf das absolute Verhältnis der Zahlen m und η an, sondern nur auf das Verhältnis dieser Zahlen, d. h. auf min. Wenn sich die Umgebungsbedingungen, wie die Temperatur des Impulsgenerators 16, ändern, verändert ^sich gleichzeitig der Zeitabstand, in dem die einzel^ne.ⁿ I^mP^{ulse vom} Generator geliefert werden und so-""' ^ändert sich die Anzahl »n« der innerhalb eines _{festen Zeitabschnittes durch den Impu}i_sgenerator er-

zeugten Impulse im gleichen Verhältnis proportional zur Änderung der Umgebungstemperatur. Unter den gleichen Umgebungsbedingungen ändert sich jedoch auch die Anzahl »m« der durch den Impulsgenerator erzeugten Impulse im gleichen Verhältnis, und somit bleibt das Verhältnis m/n konstant. Da ferner die Änderungen der Umgebungsbedingungen allmählich während einer längeren Zeitperiode auftreten, kann praktisch in dem Zeitintervall zwischen dem Beginn des Zeitabschnittes T₁ und dem Ende des Zeitabschnittes Γ, keine Änderung auftreten die das Verhältnis min beeinflussen würde. Aus diesem Grund kann bei vorliegender Erfindung ohne Verwendung eines sehr genauen Impulsgenerators, wie eines Kristalloszillators, eine sehr genaue Messung ermöglicht werden.

^Die Operationsfolge ist nicht auf die in Fig. 2A angegebene Tabelle begrenzt. Bei einer zweiten in Fig. 3A dargestellten Ausführungsform ist in Reihe zum Widerstand 7 ein weiterer Schalter A geschaltet. Damit wird eine andere Operationsfolge erhalten. Diese ist in der Tabelle gemäß· F i g. 3 B angegeben.

Wird bei dieser Auswahl die Anzahl m der gezähl-

einzusehen, daß die elektrostatische Kapazität C, des Normalkondensators unabhängig von der elektrostatischen Kapazität C_x des zu messenden Kondensators frei wählbar ist.

Ein weiterer hervorragender Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die elektrostatische Kapazität eines Kondensators mit hoher

ist ai

Strom
gegebenen

F i g. 4 zeigt den interessierenden Teil einer dritten Ausführungsform gemäß dieser Erfindung. Der wesentliche Teil dieser Ausführungsform entspricht dem Blockdiagramm nach Fig. 1, und das Meßprinzip ist das gleiche, wie zu Fig. 1 erläutert. Bei der Ausfühnach

Wie aus Gleichung^) hervorgeht wird die zu S₀

SndLerte TiF% ££325,1 ΐ f T¹" derstandswerte R R die Impulszahl π die Impuls-

zahl m und die elektrostatische Normalkapazität C ^gSS tT^Vo^

^{nU DgSqi}*^{lle 30} ^efugi BeSS.SLt sich die elektrostatische Kapazität eines Festkondensators ge-

SSS£S£

SSS 5S

⁸ Äte te!SLaw

K Sftft SiiSÄS

nauer als bei der Ausführungsform nach F i g. 1 gemessen werden, da die erwähnte leichte Veränderung der elektrostatischen Kapazität Berücksichtigung findet.

F i g. 5 zeigt einen Teil einer Abänderung der Aus-

führungsform nach Fig. 3A, wobei die erwähnte Vorspannungsquelle 30 in die in Fig. 3A dargestellte Schaltung eingefügt ist. Der Zweck ist der gleiche, wie zu F i g. 4 erläutert. Das Meßprinzip entspricht dem der F i g. 3 A.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

20 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen der elektrostatischen Kapazität eines Kondensators, bei dem der zu messende Kondensator und ein Normalkondensator bekannter Kapazität von einer Nörmalspannungsquelle zunächst auf einen selben vorgegebenen Spannungswert aufgeladen und anschließend entladen werden und die Entladung des zu messenden Kondensators und des Normalkondensators mittels einer Vergleichseinrichtung verglichen werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Aufladen beider Kondensatoren (6, 8) wäh- ^1S rend eines ersten Zeitintervalls (T₀),

b) Entladen des Normalkondensators (6) über einen bekannten ersten Widerstand (5) auf eine Restklemmenspannung während eines zweiten vorbestimmten Zeitintervalls (T₁),

c) Entladen des zu messenden Kondensators (8) über einen zweiten bekannten Widerstand (7) während eines dritten Zeitintervalle (T_ä), währenddessen die Restklemmenspannung des Normalkondensators unverändert bleibt,

d) Vergleichen der Klemmenspannung (V_x) des zu messenden Kondensators mit der Restklemmenspannung des Normalkondensators während des dritten Zeitintervalls und Messen der Entladungszeit (t_t), die vergeht, bis die Klemmenspannung des zu messenden Kondensators von dem vorgegebenen Spannungswert (F₀) bis zur Restspannung des Normalkondensators absinkt, und

e) Errechnen der gesuchten 'Kapazität aus den vorgegebenen Werten des ersten und zweiten V/iderstands, der Kapazität des Normalkondensators, und der Zeitdauer (P₁) des zweiten Zeitintervalls (P₁) sowie aus der gemessenen Entladungszeit (i,)· bundenen Eingang (10) und einem zweiten mit dem zu messenden Kondensator (8) verbundenen Eingang (11),

f) einen Zähler (14), an den ein Ausgang (12) der Vergleichseinrichtung (9) angeschlossen ist und der die von einem Impulsgenerator (16) während ausgewählter Zeitintervalle gelieferten Impulse zählt,

g) eine Steuerschaltung (18), an die der genannte Ausgang (12) der Vergleichseinrichtung (9) ebenfalls angeschlossen ist und die die Dauer der ausgewählten Zeitabschnitte steuert und die außerdem entsprechend einer vorgegebenen Operationsfolge den ersten, zweiten und dritten Schalter (3, 2, 4) leitend oder nichtleitend steuert, so daß sich die elektrostatische Kapazität (C₁) aus den während der ausgewählten Zeitabschnitte (T\,T_i) durch den Zähler (14) gezählten Vorgänge (Impulse), den Widerstandswerten des ersten und des zweiten Widerstandes (5, 7) und der elektrostatischen Kapazität (C₁) des Normalkondensators (6) ergibt.